高速公路PM2.5中重金属季节变化特征及健康风险评估

李晓宝，赵红，曾波，董焕焕，熊雅菁，黄萍

江西省交通科学研究院，江西 南昌 330200

经济的快速发展与能源的过渡消耗是雾霾等现象频发的原因之一。PM2.5（空气动力学直径≤2.5的颗粒物）是雾霾最重要的组成部分，吸附着大量有害元素，特别是其吸附的有毒重金属（如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等）具有难降解、易富集，不易去除的特点。美国环境保护局（US EPA，2014）将As、Cd、Cr、Co、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb 和 Se 等有毒重金属列为有害空气污染物原始列表中，其可伴随PM2.5进入人体，长期积累将对人体健康造成潜在危害（Zeng et al.，2016；Zhang et al.，2016）。研究表明，过量吸入 Zn会导致肠胃疾病，长时间暴露较高Pb环境中，会导致神经系统病变，长期接触Cr会导致气短、咳嗽、气喘等疾病（张莹等，2017；Talbid et al.，2018），我国大气PM2.5污染约与120万居民的提前死亡相关（曹军骥，2014）。因此，开展人体对大气PM2.5中重金属的健康风险评估对于风险的把控、制定有效的防治措施尤为重要。

目前，我国对环境空气PM2.5及其重金属的研究主要集中在城市地区，相关研究集中在污染特征、季节变化、来源和身体健康影响（陆喜红等，2016；符小晴等，2018；郑权等，2018；杨毅红等，2019）等方面。交通源是大气污染的主要来源之一，但以交通为单独源进行大气重金属的相关研究甚少。近期张罡等（2017）分析了成雅高速公路大气PM2.5中重金属的富集程度，发现高速公路对周边环境有较大影响；Hou et al.（2018）对高速公路隧道内大气颗粒物的污染特征进行了研究，认为重金属增加了大气颗粒物的持久性；Li et al.（2019）分析了天津市高速公路环境空气 PM2.5中重金属的致癌健康风险，发现了汽车尾气可引起高速公路收费站工作人员DNA的损坏。江西处于我国东南偏中部长江中下游南岸，邻近6个省份，高速公路具有承东启西、贯穿南北的作用。至2018年年底，江西省汽车保有量达544.3万辆，高速公路里程超过6000 km，随着高速公路客运量和货运量逐年攀升，高速公路运营对周边环境污染的影响亦得到关注。目前的研究大多集中在大气和土壤（张罡等，2017；Guan et al.，2018；Hou et al.，2018；Li et al.，2019），而对高速公路中人群较为集中的收费站、服务区环境空气PM2.5中重金属污染特征及人体健康风险评估尚未有相关报道。

本文针对江西省南昌周边3条典型高速公路为研究对象，分析高速公路中 PM2.5及其重金属在不同季节的污染特征与健康风险，以期为高速公路大气重金属污染提供数据基础，并为防治措施的实施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样地点

为评估高速公路人群健康风险，初步选择意向为人群较集中，建设时期、车流量和地形地势差异较大，且较具代表性的服务区和收费站。江西省高速集团南昌南管理中心的 G60沪昆高速昌樟段，G6001南昌绕城高速温厚段，及G6021杭长高速昌铜段的通车时间分别为 2015年、1999年和 2012年，日均车流量分别为15000、4700、12000辆，满足具有差异和代表性的高速公路，且经南昌南管理中心应允，协助环境大气采样工作。3条高速中选择车流量最大，沿线较富名气的服务区和收费站，其中昌樟、昌铜和温厚高速的收费站和服务区分别为胡家坊收费站和樟树服务区、奉新收费站和奉新服务区、丰厚收费站和南昌南服务区。具体的采样点如图1所示。

1.2 采样方法

采用智能中流量空气总悬浮微粒采样器（青岛崂山，TH-150C）采集3条高速公路服务区和收费站环境大气的 PM2.5样品，采样前后将聚丙烯膜放置恒温恒湿箱中恒重，用精度为0.01 mg的天平称重。采样时将已编号、称重的滤膜放入清洁的采样器滤膜夹中，以100 L·min-1连续采样24 h，采样高度距地面1.5 m。采样结束后用镊子取出滤膜，放入滤膜盒中保存。拟采样期为春、夏、秋、冬4个季节，实际采样期分为春季（3月24日—4月26日）、夏季（6月26日—8月24日）和秋季（9月17日—10月30日）时间从2018年3—10月，每2个月集中采样1次，每次采样连续采集3 d，共收集PM2.5样品72张。由于2018年冬季持续降水，未能在冬季进行采样。采样期间，用自动气象监测仪（QT1010，美国）测定气温、湿度、风向、风速等气象参数。

图1 高速公路环境空气PM2.5采样点Fig.1 Ambient air PM2.5 sampling sites in highway

1.3 样品的分析测定

服务区和收费站环境空气PM2.5质量浓度测定按《环境空气 PM10和 PM2.5的测定 重量法》（HJ 618—2011）进行，PM2.5中重金属浓度的样品处理按照《空气和废气 颗粒物中铅等金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）》（HJ 657—2013）中的方法，滤膜样品的前处理采用硝酸-盐酸体系、微波消解 200 ℃保持 15 min，ICP-MS（NexIon-350x，美国）监测消解液中的6种重金属元素，即Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的质量浓度，对应重金属元素检出限分别为：0.0007、0.003、0.0006、0.00003、0.001、0.0005 μg·m-3。

1.4 地累积指数法、健康风险评价模型

采用地累积指数（Geo-accumulation index，Igeo）对高速公路环境大气 PM2.5中重金属的污染状况进行分析评价（李友平等，2015），计算公式如下：

式中，ci为 PM2.5中重金属元素i的含量（mg·kg-1），Bi是重金属元素i的土壤背景值，本研究采用的土壤背景值参照《江西省土壤环境背景值研究》（何纪力等，2006），k为考虑造岩运动可能引起背景值变动而加入的常数，一般取值为1.5。

PM2.5中重金属元素的Igeo与污染程度的关系分级见表1（李晓宝等，2019）。

表1 地累积指数与污染程度分级Table 1 Contamination degree corresponding to geo-accumulation index

环境空气PM2.5中重金属元素对人体产生危害主要通过3个途径，分别是经口摄食、呼吸系统吸入及皮肤接触，而呼吸系统吸入是环境空气对身体影响最为直接的途径，因此，本研究仅评估呼吸吸入的重金属健康风险。应用美国环保署（USEPA）健康风险评价模型，对PM2.5中6中重金属通过呼吸途径引起的人体健康风险进行初步评价（Tian et al.，2010）。由于长期暴露于高速公路服务区和收费站的人员主要为高速公路工作人员，因此本研究并未考虑儿童呼吸途径PM2.5中重金属的健康风险。暴露量的计算公式如下：

式中，ADD为非致癌物质日均暴露剂量（ mg·kg-1·d-1），LADD 为致癌物 日均暴露剂量（mg·kg-1·d-1），c为 PM2.5中重金属污染物浓度（mg·m-3），IR 为呼吸速率（m3·d-1），EF 为暴露频率（d·a-1），ED为暴露年限（a），BW为平均体重（kg），AT为平均暴露时间，暴露参数值参考《中国人群暴露参数手册》（环境保护部，2013），具体参数值见表2。

表2 暴露参数值Table 2 Parameters used in the exposure risk

PM2.5中多种重金属元素的非致癌总风险（HI）计算公式如下：

式中，HQi为重金属i元素的非致癌风险，RFi为重金属i元素的日参考摄入剂量（mg·kg-1·d-1），RF的取值见表2。当HI或HQ≤1时，非致癌风险较低，或可以忽略，HI或HQ＞1时，存在非致癌风险。

致癌元素的终生致癌暴露风险（ILCR）计算公式如下：

SF 为致癌斜率因子（kg·d-1·mg-1），SF 的取值见表3（US EPA，1989），当ILCR低于10-6时，则认为该重金属元素不具有致癌风险；当ILCR处于10-6—10-4时，则认为该重金属存在可以接受的，即潜在致癌风险；当ILCR＞10-4时，则认为该重金属存在较高的致癌风险（陆喜红等，2016；符小晴等，2018；郑权等，2018；杨毅红等，2019）。

表3 重金属元素暴露参考计量、致癌斜率因子Table 3 Reference dose and carcinogenic slope factor of heavy metals used in this study

2 结果与讨论

2.1 高速公路环境大气PM2.5中重金属元素质量浓度及季节变化特征

数据分析的结果显示不同采样地环境空气PM2.5及PM2.5中重金属质量浓度并未显示出显著差异。而江西省高速公路环境空气PM2.5的日均质量浓度季节变化表现为春季＞秋季＞夏季（表4），仅有春季的 PM2.5质量浓度（90.11 μg·m-3）超过国家空气质量二级标准（24 h质量浓度限制 75 μg·m-3）。相关性分析表明PM2.5质量浓度与气温呈极显著负相关（表5），而与其他气象因子，如风速、空气湿度等未发现显著相关关系，故温度及温度引起的相关环境变化（如绿化）是导致 PM2.5质量浓度出现季节变化特征的主要原因（姜磊等，2018）。

高速公路不同季节环境空气PM2.5中重金属质量浓 度 均 表 现 为 Zn (3.88 μg·m-3)＞Pb (6.48×10-2μg·m-3)＞Cr (4.07×10-2μg·m-3)＞Cu (2.64×10-2μg·m-3)＞Ni (1.05×10-2μg·m-3)＞Cd (0.13×10-2μg·m-3)（表 4）。诸多南方城市环境空气PM2.5中重金属元素在不同季节亦表现为相似趋势，例如南京市（Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Cd）（陆喜红等，2016）、广州市（Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Cd） （符小晴等，2018）、南昌市冬季（Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Cd）（郑权等，2018）。不难看出，目前高速公路和城市大气中PM2.5中重金属含量均以Zn最高，Pb次之，Cu和Cr的排序不一致。自含Pb汽油停用后，Zn成为交通排放的标志物，因为Zn存在于机动车轮胎、汽车零件摩擦和防腐镀 Zn汽车板中。尽管含Pb汽油停用致使环境大气中Pb含量降低，但研究表明柴油汽车排放的 PM2.5明显高于汽油车排放的数值（Cheng et al.，2010），且随着柴油质量的降低，PM2.5中Pb含量排放因子增加（崔敏，2016），昌樟、温厚和昌铜高速柴油车的通车比例分别为18%、37%和18%，因此，研究显示高速公路大气PM2.5中Pb的含量仍较高。诸多城市环境大气PM2.5中Cu质量浓度高于Cr，而仅有交通源污染的高速公路PM2.5中Cr含量高于Cu。根据相关文献整理，城市源大气PM2.5中Cr的年均质量浓度大部分低于 2.0×10-2μg·m-3（杨毅红等，2019），普遍低于高速公路水平。诸多研究表明Cu的主要来源是机动车制动块磨损和机动车尾气，而 Cr的主要来源是地壳、扬尘源，部分来自机动车尾气（Wang et al.，2017；董世豪等，2019），因此，定期进行路面清理可能是减少高速公路环境空气 PM2.5中Cr污染的重要手段之一。

高速公路环境空气PM2.5中不同重金属元素质量浓度的季节变化有显著性差异，其中 Pb的季节变化从高到低依次是春季＞夏季和秋季；Cd和Ni的季节变化从高到低依次是：秋季＞春季和夏季；Zn的季节变化从高到低依次是：夏季＞春季和秋季（表4），高速公路环境空气中 PM2.5与气象因子的相关性分析可解释PM2.5中重金属的季节变化（表5）。亦有研究表明PM2.5中重金属质量浓度受道路扬尘（Canepar et al.，2008）、气象（李会霞等，2016）等因素影响，其中气温较高时，轮胎磨损加重，释放更多的Zn粉进入大气，致使大气中PM2.5的Zn元素质量浓度增高（Li et al.，2001）。

表4 高速公路环境空气PM2.5中重金属质量浓度的季节变化Table 4 Seasonal change of heavy metal mass concentrations of ambient air PM2.5 near highway μg·m-3

表5 高速公路环境空气PM2.5中重金属浓度与气象因子的相关性Table 5 Correlation between the heavy metal concentrations of ambient air PM2.5 and meteorological parameters

2.2 高速公路环境空气PM2.5中重金属污染的季节变化特征

Igeo是判别人为活动对环境影响的重要参数，目前常用于大气颗粒物中元素的污染特征研究（赵兴敏等，2017；Li et al.，2019），江西省高速公路不同季节环境大气 PM2.5中重金属元素的Igeo计算结果见图2。总体来看，不同季节PM2.5中6种重金属的Igeo值随季节呈现波动状态，且Igeo值均大于0，说明6种重金属元素受到交通源人为活动的污染。其中Zn和Cd的Igeo值处于6.36—10.72之间（＞5），污染程度属严重污染；PM2.5中 Pb的Igeo值处于4.13—4.53之间，污染程度属重度污染；Cu的Igeo处于 3.20—4.31，仅秋季表现为重度污染，春季和夏季属偏重污染；Cr在春季表现为中度污染，夏季和秋季表现为偏重污染，Ni的Igeo值处于1.55—3.05之间，污染程度随季节变化差异较大，总体上呈中度污染。高速公路服务区和收费站环境大气 PM2.5中的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni均受到不同程度的人为污染，即交通源污染，Cu、Cr和Ni的污染在秋季表现的更为严重，而 Zn和 Cd的污染程度最高，研究结果与天津市某高速公路收费站的研究结果较为相似（Li et al.，2019）。

2.3 高速公路环境大气PM2.5中重金属健康风险评价

江西省高速公路环境大气PM2.5中6种重金属经呼吸途径的非致癌风险和致癌风险见表6、7。重金属元素的非致癌风险（HQ）从高到低依次为：Cr＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Ni，不同季节单元素的 HQ 值均小于1，联合非致癌风险HI值也小于1，处于人体可接受范围内，说明春季、夏季和秋季高速公路收费站和服务区的 PM2.5中重金属不存在非致癌风险。另外，不同重金属对于不同人群的非致癌风险均表现为男性＞女性，诸多研究得出相同的结果（陆喜红等，2016；符小晴等，2018）。

图2 不同季节高速公路环境空气PM2.5中重金属元素的地累积指数Fig.2 Seasonal change of geo-accumulation index in heavy metal of ambient air PM2.5 near highway

表6 高速公路工作人员非致癌风险Table 6 Non-carcinogenic risk of female worker in highway

表7 高速公路工作人员致癌风险Table 7 Carcinogenic risk of worker in highway

对于致癌重金属，PM2.5中Cr对成年男性与女性的致癌健康风险均超过阈值10-4，说明高速公路服务区和收费站对男性和女性均存在致癌健康风险，研究结果与南昌市和成都市环境大气PM2.5中Cr的致癌健康风险评价值极为接近（李友平等，2015；郑权等，2018），而远高于广州（符小晴等，2018）和珠海（杨毅红等，2019）。Cr中毒一般是指Cr（Ⅵ），而按Cr（Ⅵ）和总Cr比值0.13来估算（陆喜红等，2016），本研究高速公路环境空气PM2.5中Cr的致癌风险仍高于阈值，建议采取相应防护措施减少Cr污染。高速公路环境空气PM2.5中Ni的致癌健康风险处于10-6—10-4之间，说明高速公路PM2.5中Ni对人体健康具有潜在致癌风险，交通源大气PM2.5中Ni的健康风险高于广州（符小晴等，2018）、南昌（郑权等，2018）、成都（李友平等，2015）等城市。高速公路环境空气PM2.5中Cr和 Ni均存在致癌风险，且男性的致癌风险略高于女性，交通源污染中应重视Cr和Ni的污染。

从季节变化来看，Cr和Ni秋季的致癌风险均高于春季和夏季，Cd元素在春季和夏季致癌风险低于人类可接受风险水平10-6，而秋季Cd的致癌风险高于人类可接受的风险水平。

3 结论

（1）高速公路环境空气PM2.5和PM2.5中重金属的质量浓度受气温影响表现出明显的季节变化，不同季节PM2.5中重金属质量浓度表现为Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，其中Cr的质量浓度远高于城市；

（2）地累积指数法的分析结果表明环境空气PM2.5中6种重金属均受到不同程度的交通源污染，Cu、Cr和Ni的污染在秋季表现更为严重，而Zn和Cd的污染程度最高；

（3）健康风险评估表明，高速公路环境空气PM2.5中重金属不存在非致癌健康风险，而Cr存在致癌风险，Ni存在潜在致癌健康风险，秋季的致癌风险普遍高于春季和夏季，交通源引起的大气Cr和Ni污染应受到重视，必要时需采用相关防控措施以降低大气PM2.5中Cr和Ni的健康风险。